城市精細天氣預報的理論與技術研究進展

孫繼松

（北京市氣象臺，北京 100089）

城市精細天氣預報的理論與技術研究進展

孫繼松

（北京市氣象臺，北京 100089）

對最近二十多年，城市中尺度天氣學和精細預報技術研究進展進行了回顧，包括以下幾個方面：（1）城市環流對中尺度降水系統的影響研究；（2）城市環流與地形相互作用的物理過程及其對中尺度系統的影響過程研究；（3）城市環流與海（湖）風環流的相互作用對中尺度天氣系統的影響過程研究；（4）城市或城市群對大霧形成與分布的影響研究。最后，對未來城市精細天氣預報技術的發展方向進行了展望，認為針對特大城市典型的中尺度天氣系統開展精細化觀測研究，并將研究成果應用于中尺度模式物理過程的改進之中，進一步完善城市冠層模式，可能是提高城市精細化預報能力的主要有效手段。

城市，中尺度天氣學，精細天氣預報

1 引言

根據聯合國人口司發布的《世界城市化展望》（2006年修正版），預計世界城市人口在2030年達到49億，即60%的全球人口將居住在城市地區。城市特別是特大型城市一般是所在區域的政治、經濟、文化和消費中心，同時也是交通運輸、工業生產的主要基地和商品流通集散地。因此，城市單位面積上的經濟當量、人口密度是其他區域無法比擬的，相同程度的氣象災害發生在城市時，所造成的生命財產損失、社會關注度往往是巨大的。從另一角度來看，由于城市下墊面的絕大部分被非透水性物理介質（如水泥、瀝青等）所覆蓋，高度起伏的大面積建筑物、坡度不一的立體路面交通網以及人為地表坡度，為地表徑流的快速匯流提供了條件，當強降水發生時，低洼路段不僅成為城市交通網的“栓塞”，造成大面積交通癱瘓，而且已經直接威脅到居住或途徑低洼地區市民的生命安全。近幾年來，無論是沿海的上海、天津，還是內陸的北京、武漢、西安、濟南、重慶、鄭州、烏魯木齊等絕大多數大型城市中心區，幾乎都發生過不同程度的局部內澇，造成交通嚴重受阻、甚至巨大的人員傷亡。另外，城市高聳的建筑進一步加大了雷電災害對生命的威脅，高大建筑之間的狹管效應也直接加重了風災的危害，極易造成高空物件墜落，臨時建筑、廣告牌、綠化樹木等倒塌造成人員傷亡事件也屢見不鮮。另一方面，城市對電、水、燃氣等資源的過度集中使用，當突然遭遇高溫熱浪、寒流等氣象災害

襲擊時，往往造成這些管網不堪重負而發生崩潰。最近幾年，先后發生在歐洲大陸、美國等地的高溫熱浪引發的城市大面積停電事故，不僅造成了城市生活的無序狀態，而且造成了大量的城市人口死亡。從這一角度講，看似堅固的城市，在氣象災害面前顯得更加脆弱。從服務需求來看，具有重大國際影響的政治、經濟、體育、文化等大型活動一般都在中心城市舉行，常規天氣預報服務的技術方法和科學支撐能力幾乎無法滿足這些活動對氣象保障的精細化要求，正是由于城市氣象服務的特殊需求，催生了城市中尺度天氣動力學的興起和發展。

從城市氣象學的發展進程來看，氣象學家們首先注意到的是城市或城市群的崛起對局地氣候的影響，提出了城市氣候的概念，并開展了一系列的氣候學研究，特別是在城市能量平衡（urban energy balance）、城市熱島效應（Urban Heat Island Effect）、城市大氣邊界層結構（structure of urban boundary-layer）[1-10]等方面取得了大量的研究成果。一直到現在，城市氣候學研究依然是氣候學中最活躍的分支之一。隨著全球氣候變化研究不斷深入，氣象學家們逐漸意識到世界城市化進程對全球氣候變化的可能影響，特別是最近幾十年全球氣候變暖并非像以前認為的整個對流層都在迅速升溫，而可能只出現在近地面非常薄的一層大氣中[11]。一些氣象學家認為，氣候變暖在很大程度上可能受到了城市熱島效應的影響，而且在很多情況下，對一些大城市熱島效應的估計可能偏低[12]：如果城市一直處于一種平穩發展的過程，評估熱島效應的影響可能容易一些，但是一些新興的工業化國家（如中國、印度等）的迅速崛起，城市的快速擴張和區域城市群的出現，使得城市熱島效應對區域氣溫的影響評估變得非常困難，造成了全球氣候變暖研究中的最大不確定性因素[13]，而城市氣候的形成，實質上是城市中小尺度大氣環流的一種長時間平均態。最近幾年來，大城市天氣災害所造成的損失和社會反響日益突顯，例如，2001年12月7日發生在北京地區一次小雪天氣而衍生的“城市雪災”；2004年7月10日北京城區的短時暴雨造成的交通受阻，同年發生在上海的局地強風暴過程；2007年發生在濟南、烏魯木齊、重慶、鄭州等地的特大暴雨等中尺度災害天氣造成了巨大人員傷亡；最近幾年，西安、廣州、深圳、香港、太原、天津、武漢等幾乎所有的大城市都曾先后出現過局地強對流暴雨災害，造成了巨大的經濟損失，造成了極大的社會影響。

從本質上講，城市中尺度天氣動力學的核心問題是通過對城市邊界層與自由大氣之間相互作用而造成發生在城市及其周邊地區特有的中小尺度天氣現象及其物理機制進行系統性研究，進而形成精細預報技術。隨著中尺度天氣動力學的發展和中尺度數值天氣預報技術的進步，針對城市特定環境下的中尺度天氣系統的發生、發展和演變機理等方面的研究受到了廣泛關注，在一定程度上提高了城市天氣預報服務的精細化程度。但是，應該看到，橫亙在氣象工作者面臨的諸多科學問題和預報技術難題仍然艱巨。本文旨在對近幾年來有關城市中小尺度天氣動力學研究，特別是城市中尺度氣象災害動力學、預報技術方面的研究進展進行梳理，并就未來城市天氣動力學的發展方向和城市天氣預報技術需要解決的科學技術問題進行簡單的探討。

2 城市中尺度天氣系統的特殊性

針對城市的中尺度天氣系統及其預報技術的研究雖然只是中尺度天氣動力學研究中的一個分支，但是相較廣義上的中尺度天氣動力學或中尺度天氣學而言，又具有明顯的特殊性。這種特殊性主要體現在四個方面。

（1）特定的城市尺度。城市，即便是特大型中心城市，其水平空間尺度一般都不大于α中尺度，市區面積更小。例如，北京的轄區面積約為1.68km2，中心城區面積只有約為60km×60km（以六環路為界）。但是在夏季，在很多城市經?？梢杂^測到一個或多個水平尺度比城區面積小得多的強對流系統，在城區或郊區造成嚴重的雷暴、暴雨災害；在冬季，許多降雪天氣過程也只出現在局部地區。因此，就城市災害天氣研究和預報而言，關注的主要對象是天氣尺度或α中尺度背景下的β、γ中尺度系統的演變及其相互作用過程。

（2）特定的地理環境。大多數城市要么依山而建，要么面水而立（例如大型湖泊、江河、海洋等）。地形對各種尺度天氣系統的影響程度、影響方式，一直以來是氣象學界的前沿課題之一，地形環流（山谷風環流）與城市環流（熱島環流）的相互作用過程對中尺度天氣系統發生發展的影響進一步增加氣象學家對城市中尺度天氣系統形成機理的認識難度；海陸風、湖陸風的變化與城市大氣的相互作用過程也是造成城市中尺度天氣系統演變的重要原因。

（3）特定的人為環境。城市是受人類活動影響最劇烈的區域，城市大氣要素的變化幅度和速率都是其他區域無法比擬的。城市氣候學更多地關注這些要素的長期影響，而城市中尺度天氣動力學在于如何科學地描述它們的短期甚至短時變化：不同天氣背景

下，起伏巨大的建筑造成了邊界層流場的不同變化；下墊面物理屬性的變化和人為熱源形成了城市熱島，城市熱島的季節變化、劇烈的日變化及其強度、中心位置的非定常性改變了邊界層內熱力層結的垂直變化和水平分布，必然強迫流場、氣壓場、濕度場等發生相應的調整，這種調整過程本身就可能誘發中尺度天氣系統的發生；氣溶膠濃度存在的劇烈短期變化直接造成了城市上空凝結核數量的激烈變化，也可能是降水非均勻性變化的原因等。很顯然，這些環境要素的短期變化與分布差異將直接影響中尺度天氣系統的演變進程與高影響天氣的落區變化。

（4）城市環流對上下游天氣的影響。城市中尺度天氣動力學需要解釋天氣系統在城市環流的影響下，天氣系統內部發生的一系列調整過程。而城市環流的強迫作用造成城市上下游發生的特有的中小尺度天氣系統生消過程則是城市天氣精細預報不得不面對的另一個課題。已經有研究[14]表明，以特大型城市為中心的城市群的崛起，不僅改變了城市的局地環流，而且很可能已經或者正在影響更大尺度范圍內天氣系統的演變。

針對城市中尺度天氣系統的上述特殊性的認識，不僅是建立和完善城市天氣精細化預報技術的科學基礎，而且是推動中尺度天氣動力學進步的關鍵環節。如果我們能夠將不同天氣背景、不同地理特征和不同人為環境下的β中尺度、γ中尺度系統的演變機制進行科學、完整的數學物理描述，那么，阻礙中尺度數值模式發展進步的主要物理過程問題將迎刃而解。

3 城市中尺度降水系統研究

氣象學家首先把城市或城市群作為一個整體，研究它對天氣系統的影響。最先受到氣象學家關注的是：降水、雷暴活動在城市下風方向有明顯增多、增強現象。1971年，Changnon等人[15]的統計研究就表明：城區及其下風方的年降水量比周圍農村地區高出10%～17%，其中雷暴的增加可達到21%。蒙偉光等[16]最近進行的數值模擬表明，發生在珠江三角洲地區的雷暴發展和演變過程與這一地區的城市化發展有密切關系：與城市影響有關的低層輻合主要位于500m以下的近地面層，形成于上風方的雷暴在城市下風方明顯增強。黎偉標等[17]利用TRMM衛星資料的研究結果也表明，發生在珠三角城市群的降水與比鄰海區的降水存在明顯的不同，前者以對流性降水為主，后者以穩定性降水為主。

關于城市及其下風方降水增加的原因，可能和環境氣流與城市熱島效應、城市大氣污染相互作用，以及高層建筑導致機械湍流增強有關。孫繼松等[18]就城市化過程對北京地區冬夏季中尺度降水分布的影響進行了研究，結果表明，在北京城區南北兩側，冬季和夏季的降水日數、降水量的相對變化趨勢明顯不同：相對區域平均而言，在城區及南部近郊區，冬季降水日數和降水量都在明顯增加；夏季，城區北側的降水日數呈加速增長趨勢，盡管南部平原郊區的相對降水日數變化不大，但降水量在相對減少，并指出，這種現象可能是城市熱島與盛行風流場相互作用的結果。Rosenfeld[19]則認為，城市及下游方向降雨、降雪量的增加不僅與城市化進程有關，而且與城市空氣污染程度和擴散方向有關。

隨著城市極端天氣事件的頻繁發生，發生在城市中心區的中尺度災害天氣系統的形成機理和演變過程受到了越來越多的關注。城市地表加熱的非均勻性是城市中尺度系統發生、發展的根本原因之一。Thielen等[20]的數值研究表明，城市地表的感熱通量、特別是降水發生之前4小時內的感熱通量變化對γ中尺度的對流降水有重要影響；孫繼松等[21]的研究結果認為：在夏季，城市熱島可能直接對一些雷暴起到強迫和組織作用，晴空背景下，中午前后，開始出現郊區氣流向中心城區輻合的現象，這種熱力強迫有利于形成城市中尺度的低空風場輻合線，它的存在不僅可能觸發局地對流單體，而且對多單體起到了組織作用，同時城區與郊區的這種熱力差異，還可能造成邊界層內中心城區風場垂直切變加強，即市區邊界層頂氣流加速；而在郊區，表現為邊界層下部的風速加大，這種強迫有利于降水中心區強烈的上升運動維持，保證了低空水汽在較大范圍內向對流體中流入，維持對流降水的持續（圖1）。在冬季，同樣存在城市熱島對流場的強迫作用：桑建國等[22]發現，由于熱島效應的存在，容易形成一個以市區為中心的低壓系統以及指向市中心的氣壓梯度力，造成氣流在邊界層內輻合，抬升的熱羽在邊界層上部輻散流出。實質上，由于城市熱島環流存在斜壓性特征，在平坦地形條件下，由于城市

熱島的中心位于城區以及偏下風方向，造成城市中心上游地區，低層氣流輻散、上層輻合，而市中心下游低層氣流輻合、上層輻散，組成一個穿過城區的低空閉合環流。

圖1 城市熱島效應誘發對流性降水的動力學結構示意圖[21]

4 城市環流與山地環流、水陸環流相互作用及其對中尺度天氣系統的影響

大多數大城市都依山傍水，或背靠山區，或面向大面積水體（海洋、湖泊、江河），使得城市大氣環流與自然環境形成的局地環流系統之間形成了復雜的相互作用關系，這種相互作用對城市及其周邊地區的中尺度天氣過程產生了明顯影響。

4.1 城市環流與山地環流之間的相互作用

研究表明，在不同天氣尺度背景下，城市環流與山地環流之間的相互作用過程對中尺度天氣系統的影響呈現出多樣性特征。齊琳琳等[23]研究了上海周邊地形、城市暖干性效應及城市阻滯作用對2001年8月一次特大暴雨的影響程度，結果表明：地形影響了暴雨系統的移動、停滯、發展和加強，城市化地表特征造成暴雨系統內部中尺度動力、熱力結構特征出現明顯變化。孫繼松[24]研究證實，在不考慮平流垂直分布差異的背景下，如果沒有降水發生，局地邊界層內的垂直風切變的強弱主要是由邊界層水平溫度梯度方向、強弱變化決定的。在晴空背景下，郊區的加熱率和冷卻率大于城市，如果郊區為山區，郊區與城區之間的加熱率/冷卻率差異更大，晝夜間城區與郊區之間容易形成更強的水平溫度梯度，其方向在白天由山坡指向城區、午夜則由城區指向山坡。當夜間的這種溫度梯度足夠強時，中尺度邊界層急流就會出現，白天則相反。因此，夜間更有利于邊界層急流的形成，白天邊界層急流趨于消失。中尺度邊界層急流的出現不僅為邊界層與對流層之間的熱量、動量和水汽交換起到了重要作用，而且為某些對流活動的啟動提供了動力強迫源[25]。在存在局地強降水的背景下，邊界層急流與局地降水之間還可能形成明顯的正反饋，造成城市下游β中尺度的暴雨中心的出現[24]。

城市熱島環流與地形熱力環流之間的相互作用還有可能對局地中尺度對流系統的強度、性質產生影響。有研究[26]表明，在弱下沉氣流大尺度背景下，在中午前后，地形與平原之間容易形成很強的、由山坡指向平原的溫度梯度，如果平原地區下游是城區，由于城區的溫度高于郊區，因此城區與山區之間的平原地區就有可能出現一個“冷楔”。 近地面層的“冷楔”不僅削弱了對流層低層的熱力不穩定，而且“冷楔”形成了邊界層內的輻散氣流，它們對來自于上游地區（山區）的強對流單體都起到了減弱作用，使得山坡上形成的冰雹云下山后對流高度降低，對流活動減弱，降水性質由冰雹轉為降雨。當對流系統隨環境風場移到城區時，在城市熱島的作用下，對流可能再次被加強。

孫繼松等[27]最近討論了地形與城市熱島共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理論特征，并利用北京地區稠密的地面觀測資料以及分布于距離暴雨中心區不同距離的風廓線儀觀測資料進行了證實：由于城市與山區之間的溫度梯度量級不同，引發對流性β中尺度暴雨的垂直切變的響應時間差異較大，一般從十幾分鐘到幾個小時不等；地形坡度的大小對中尺度暴雨系統的水平尺度起到了決定性影響；一般情況下，地形與城市熱力過程相互作用造成的中尺度暴雨多發于傍晚前后或凌晨前后。地形與城市熱島效應造成的局地對流性暴雨的物理概念模型如圖2。

城市熱島效應與地形相互作用形成山前暴雨的物理機制如下。

（1）由于山體阻滯了城市熱島的水平擴散效應，在山前地區形成了最強的水平溫度梯度。水平溫度梯度不僅造成山坡下滑冷氣流與城市暖空氣流出氣流之間形成了山前水平輻合氣流，形成抬升運動，而且強的水平溫度梯度將強迫風的垂直切變增強，形成邊界層頂的氣流加強，出現邊界層急流的雛形；邊界層急流的高度一般低于山體的高度[24]。

（2）山前水平輻合氣流形成的抬升運動、吹向山體的邊界層急流形成的強迫抬升運動，在垂直風切變環境中，觸發對流發生。

（3）初生對流形成降水后，地面氣溫迅速下降，造成山前與城區間的水平溫度梯度進一步加強，邊界層急流加速，抬升運動也在加速，造成山前對流進一步加強，形成了溫度梯度與對流強度之間的正反饋過程，山前對流不斷發展且位置少動，形成暴雨甚至特大暴雨。

圖2 城市熱島效應與地形相互作用形成山前暴雨的物理機制

4.2 城市環流與水陸環流的相互作用

與地形環流和城市環流相互作用一樣，對于海（湖）濱城市來說，海（湖）陸風環流與城市環流的相互作用，往往會影響到中尺度對流系統的演變。海風與環境風場相互作用可以產生低空輻合線，形成海風鋒，觸發不穩定能量釋放而形成中尺度局地強對流，因此對于海濱城市來說，研究海陸風環流與城市環流之間相互作用問題顯得尤為重要。這種相互作用表現在兩個方面，即海陸風對城市熱島的影響和城市對局地海陸風環流的影響。

Wu等[28]對青島海陸風的研究表明，由于膠州灣、嶗山和浮山的存在，青島近海岸存在多支海陸風，風場復雜多變，低空風場在地形作用下，在山前（城區一側）產生爬坡運動，在山后產生背風波，這兩種波動產生的波動能量都可以上傳到4km以上。這一高度足以觸發對流層中層存在的對流不穩定能量，產生局地強降水天氣過程。張立風等[29]和王衛國等[30]的數值試驗表明，在沒有地形影響時，海風的強度減弱、向陸地伸展的范圍減小，陸風也會減弱。海陸風強度與地形的這種關系可能主要是由于地形的熱力作用造成的：與平原相較而言，當有地形存在時，陸地氣溫在白天上升和夜間下降都更快，造成海陸氣溫梯度加大。苗曼倩等[31]和張雷鳴等[32]的數值試驗表明：在白天，東海海風和太湖風環流與上海城市群的熱島效應存在正反饋現象；而在夜間，陸風環流趨于減弱，出現了海陸溫差減小的現象——由于海溫日變化很小，局地海陸溫差減小實質上表現為城鄉之間的溫差加大，即夜間的城市熱島效應被強化。

城市環流與海陸風環流之間存在的這些相互作用關系，對城市及其周邊地區的降水分布產生了明顯的影響。梁釗明等[33,34]的數值試驗表明：（1）城市下墊面較大的向上感熱通量和較小的向上水汽通量以及高粗糙度對冷濕海風有削弱作用，造成城市區域與郊區相比而言，低層大氣形成較高的溫度和較低的濕度。另外，城市熱島環流和海風環流的共同作用使得海風在城市上空有所抬升，從而使得海風對低層大氣降溫和增濕的垂直范圍擴大。（2）中心城區的高粗糙度對海風風速有明顯削弱作用，因此海風鋒在城區往內陸推進距離稍減，低層輻合和上升運動減弱。海風與熱島環流相互作用對層結不穩定造成的影響如圖3：與郊區相比，城區內的自由對流高度和平衡高度都有所降低，因此，在海風作用下的城區內，對流有效位能（CAPE）比沒有城市影響的海岸地區要小。另一方面，城市粗糙度進一步削弱了海風的輻合作用，因此，相對郊區而言，城市并不利于海風環流觸發的對流發展。但是，相對于沒有海風影響的地區而言，海濱地區的對流有效位能都有明顯增加，其中起主導作用的因子是海風帶來的水汽影響。

4.3 城市群的發展對大霧分布的影響

城市或城市群的發展對大霧分布的影響日益顯現。最近，我們的研究表明①引自“國家科技支撐計劃項目：城市群高影響天氣的特征和成因分析（2008BAC37B01）”技術報告，pp:50-64，城區大霧日數的相對減少和輕霧或霾的相對增加，除了空氣污染的因素以外，城市環流的熱動力學過程起到了重要作用：增強的城市熱島效應，減小了城區的晝夜溫差，增加暖濕空氣冷卻凝結飽和的難度；另一方面，熱島效應導致的熱力差異會在城市和郊區幾十千米的范圍形成次級環流圈，該次級環流圈能夠有效阻止低層水汽進入城區，減小了大霧形成的概率；城市膨脹的速度越快，年平均霧日減少也越快。

城市的發展是一個動態過程，利用京津冀地區所有站點（98個人工觀測站）每10年平均霧日與同期18個基本代表站的每10年平均霧日插值到同一網格再相減，得到的京津冀地區最近20年中每10年平均霧日分布圖，這樣可以過濾掉氣候波動變化和地形對大霧分布的影響，結果表明：1989—2008年，北京、天津均進入城市化發展的高峰期，北京、天津城區的大霧日數減少速度明顯加快，且相對減少區域已經連成一片，并不斷向城市南北兩面擴展，大霧日數相對增多的區域主要集中在緊鄰北京南部的河北地區及北京、天津以北的河北地區。這是由于城市范圍逐漸擴大，

城市熱島的范圍也逐漸擴大，熱島環流圈的半徑向南擴展，致使大霧易發區域南移。從40年來的變化趨勢發現，京津城市群大霧減少的范圍在逐步擴大，而南北兩側大霧發生頻率相對增加的趨勢在逐漸加強，說明由于城市化的發展，京津冀地區大霧發生頻率及范圍背離氣候態特征越來越強，即極端事件發生的概率也在逐漸增強。

圖3 海風穿過城區和郊區造成大氣層結不穩定變化的示意圖[34]

5 城市精細天氣預報面臨的科學技術問題

城市天氣的客觀精細預報技術的進步，在一定程度上取決于中尺度數值模式能力的提高幅度，而中尺度模式是否能夠科學地描述一系列表征城市特征的邊界層與天氣系統的相互作用過程，將直接影響到預報員對中尺度模式產品的評價和應用。

近幾年來，應用中尺度模式或云模式對城市效應引起的中尺度對流系統的演變開展了一系列數值模擬研究工作[35-40]。概括而言，模式研究方法主要有兩種：一種是通過改變模式現有過程中有關城區的反射率、粗糙度、土壤熱力性質和蒸發率等來反映城市熱動力學作用。這種辦法比較簡單，僅僅是改變了模式陸面過程中有關城市土地類型的相關參數。盡管如此，在研究城市化與對流發展的關系上，還是取得了一些令人鼓舞的成果，說明了城市陸面過程對局地對流的形成和發展產生了顯著影響。另一種方法是，在中尺度數值模式中耦合城市冠層模式和城市陸面模式，不僅考慮城市建筑、道路的幾何分布對熱量和機械湍流的影響，還描述了城市冠層截取的輻射量、引起的風切變、邊界層高度變化以及人為熱源等。

盡管有關城市中尺度天氣動力學研究已經取得了不少進展，但是，仍然存在大量的科學問題和技術難題有待進一步研究，目前還很少有真正建立針對城市環境的中尺度數值預報業務模式，城市精細化預報業務還主要依賴于對不同分辨率數值模式產品的天氣學解釋應用和統計釋用。而事實證明，目前的業務中尺度模式對相對孤立的β中尺度以下天氣系統（即不是由更大尺度系統激發的、具備關聯性的中小尺度系統）的模擬能力本身就非常有限，如果不能在模式中有效地耦合能夠真實反映城市陸面過程、城市大氣物理過程和動力過程的邊界層模式和冠層模式，城市精細化數值模式預報技術可能很難取得實質性進展。為了解決這些科學技術問題，需要氣象科技工作者在以下三個方面共同努力：

（1）不同地理環境、不同天氣背景下城市邊界層的溫濕垂直分布、湍流交換特征的連續變化及其與自由大氣的相互作用過程的觀測研究。目前有關城市大氣環流變化的觀測和數值模擬研究結果大多基于穩定天氣背景下或氣候平均態，據此得到的研究結果很可能造成無法真實地描述發生在城市的中尺度演變過程中的邊界層物理過程，因為絕大多數局地天氣過程、尤其是夏季中尺度對流系統往往發生在局地不穩定條件或穩定度劇烈變化的背景下。

（2）目前，有關城市大氣環流的研究主要集中在城市大氣本身，例如城市大氣能量平衡、湍流交換、城市局地環流等，而針對城市熱力作用、動力作用與大氣環流的相互作用研究比較薄弱。許多研究表明，地面熱通量對局地強風暴和降水系統的影響并不只來源于當地、當時的通量變化[41，42]。因此，城市熱量分布與低層環境流場的配置關系十分重要，因為城市地面熱通量提供的感熱能和潛熱能可能通過大氣流場在更大的范圍內進行重新分布，對于城市群來說，它可能對更大范圍內的天氣系統演變產生了顯著影響。

圖4 京津冀地區10年平均霧日中尺度分布特征（98個觀測站和18個基準站）（a）1989—1998年；（b）1999—2008年

（3）以稠密的城市氣象觀測資料（地面和風廓線觀測網、微波等）為手段，研究造成城市高影響天

氣系統的中尺度精細結構特征以及城市效應是如何影響這些天氣系統的醞釀、發生、發展和消亡的物理過程等，還有待進一步破解。

6 結語與討論

高影響天氣發生發展對特大城市的物理響應過程，是城市中尺度天氣動力學的核心問題，如何利用數值模式科學地描述這種過程是城市精細預報的發展方向。本文主要對最近二十多年來，城市中尺度天氣學和精細預報技術研究進展進行了回顧，包括以下幾個方面：（1）城市環流對中尺度降水系統的影響；（2）城市環流與山地環流相互作用的物理過程及其對中尺度系統的影響過程；（3）城市環流與海（湖）風環流的相互作用對中尺度天氣系統的影響過程；（4）城市或城市群對大霧形成與分布的影響。

研究已經表明，發展能夠反映城市建筑、街區幾何分布對熱量和機械湍流的影響，同時能夠客觀描述城市冠層輻射、垂直風切變、邊界層高度變化以及人為熱源等物理過程的城市冠層模式，并與中尺度天氣模式進行耦合，并不斷改進城市陸面物理過程等，能夠有效地提高數值模式對地面要素的預報準確性，同時也有利于提高城市中尺度系統的預報能力。為了實現這一目標，針對特大城市的精細化觀測研究，并將研究成果應用于模式物理過程的改進之中，是提高模式精細化預報的首要任務。

[1]Bornstein R D. Observations of the urban heat island e ff ect in New York city. Journal of Applied Meteorology, 1968, 7: 575-582.

[2]Oke T R. Review of Urban climatology, 1968-1973. WMO Technical Note No.134, WMO No.383. Geneva: World Meteorological Organization, 1974.

[3]Oke T R. The distinction between canopy and boundary-layer heat island. Atmosphere, 1976, 14: 268-277.

[4]Oke T R. The energetic basis of the urban heat island. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1982, 108: 1-24.

[5]Arnfeld A J. Simulating irradiative energy budgets within the urban canopy layer. Modeling and Simulation, 1984, 15: 227-233.

[6]Nunez M, Oke T R. The energy balance of an urban canyon. Journal of Applied Meteorology, 1977, 16:11-19.

[7]Melling H, List R. Characteristics of vertical fluctuations in a convective urban boundary layer. Journal of Applied Meteorology, 1980, 19: 1184-1195.

[8]Uno I, et al. An observational study of the structure of the Nocturnal urban boundary. Boundary layer meteor, 1988, 45: 59-82.

[9]周淑貞, 束炯. 城市氣候學. 北京: 氣象出版社, 1994.

[10]Arnfield A J. Review: Two decades of urban climate research: A review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island. Inter Jour of climatology, 2003, 23(1): 1-26.

[11]National Research Council. Reconciling Observations of Global Temperature Change. Washington DC: National Academy Press, 2000.

[12]Karl T. Urbanization: Its detection and e ff ect in the United States climate record. Journal of Climate, 1988, 1: 1099-1123.

[13]龔道溢, 王紹武. 全球氣候變暖研究中的不確定性. 地學前沿, 2002, 9(2): 371-376.

[14]劉洪利, 李維亮, 周秀驥, 等. 長江三角洲地區區域氣候模式的發展和檢驗. 應用氣象學報, 2005, 16(1): 24-34.

[15]Changnon S A Jr, Hu ff F A, Semonin R G. METROMEX: An investigation of inadvertent weather modifcation. Bull Amer Mete Soc, 1971, 52: 958-968.

[16]蒙偉光, 閆敬華, 扈海波. 城市化對珠江三角洲強雷暴天氣的可能影響. 大氣科學, 2007, 31(2): 364-376.

[17] 黎偉標,杜堯東, 王國棟, 等. 基于衛星探測資料的珠江三角洲城市群對降水影響的觀測研究. 大氣科學, 2009, 33(2): 1959-1266.

[18]孫繼松, 舒文軍. 北京城市熱島效應對冬夏季降水的影響研究.大氣科學, 2007, 31(2): 311-320.

[19]Rosenfeld D. Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution. Science, 2000, 287(10): 1793-1796.

[20]Thielen J, Wobrock W, Gadian A, et al. The possible in fl uence of urban surfaces on rainfall development: A sensitivity study in 2D in the meso-γ-scale. Atmospheric research, 2000, 54(1): 15-39.

[21]孫繼松, 王華, 王令, 等. 城市邊界層過程在北京2004年7月10日局地暴雨過程中的作用. 大氣科學, 2006, 30(2): 221-234.

[22]桑建國, 劉萬軍. 冬季城市邊界層風場和溫度場結構分析. 氣象學報, 1990, 48(4): 459-468.

[23]齊琳琳, 趙思雄. 局地地形、地表特征對上海暴雨過程的影響研究. 氣候與環境研究, 2006, 11(1): 33-48.

[24]孫繼松. 北京地區夏季邊界層急流的基本特征及形成機理研究.大氣科學, 2005, 29(3): 445-452.

[25]Blackadar A K. Boundary layer maxima and significance for the growth of nocturnal inversion. Bull Amer Mete Soc, 1957, 38: 17-121.

[26]孫繼松, 石增云, 王令. 地形對夏季冰雹事件時空分布的影響研究. 氣候與環境研究, 2006, 11(1): 76-84.

[27]孫繼松, 楊波. 地形與城市環流共同作用下的β中尺度暴雨. 大氣科學, 2008, 32(6): 1352-1364.

[28]Wu Z M, Schlunzen K H. Numerical study on the local wind structures forced by the complex terrain of Qingdao area. ACTA Meteorological Sinica, 1992, 6(3): 355-366.

[29]張立鳳, 張銘, 林宏源. 珠江口地區海陸風系的研究. 大氣科學, 1999, 23(5): 581-589.

[30]王衛國, 蔣維楣. 青島地區邊界層結構的數值模擬. 大氣科學, 1996, 20(2): 229-234.

[31]苗曼倩, 唐有華. 長江三角洲夏季海陸風與熱島環流的相互作用及城市化影響. 高原氣象, 1998, 17(3): 280-289.

[32]張雷鳴, 苗曼倩, 洪鐘祥, 等. 城市發展對夜間海陸風環流影響的預測模擬.大氣科學, 1994, 18(3): 366-371.

[33]梁釗明, 高守亭, 王彥. 渤海灣地區一次碰撞型海風鋒天氣過程的數值模擬分析. 氣候與環境研究, 2013, 18(6): 733-745, doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2013.12027.

[34]梁釗明, 高守亭, 王東海, 等. 城市下墊面對渤海灣海風鋒特征影響的一次數值試驗. 大氣科學, 2013, 37(3): 53-64.

[35]Craig K G, Bornstein R D. MM5 simulation of urban induced convective precipitation over Atlanta. Fourth AMS Conference on the Urban Environment Conference, Norfolk, VA. Amer Meteor Soc, 2002.

[36]Rozo ff C M, Cotton W R, Adegoke J O. Simulation of St. Louis, Missouri, Land use impacts on thunderstorms. J Appl Meteor, 2003, 42: 716-738.

[37]Liu Y, Chen F, Warner T, et al. Improvements to surface flux computation in a non-local-mixing PBL scheme, and refnements on urban processes in the NOAH land-surface model with the NCAR/ ATEC real time FDDA and forecast system. 20th conference on Weather Analysis and Forecasting /16th conference on Numerical weather Prediction, Seattle, Washington, 11-15 January, 2004.

[38]江曉燕, 張朝林, 高華, 等. 城市下墊面反照率變化對北京市熱島過程的影響——個例分析. 氣象學報, 2007, 65(2): 165-171.

[39]李曉莉, 何金海, 畢寶貴, 等. MM5模式中城市冠層參數化方案的設計及其數值試驗. 氣象學報, 2003, 61(5): 15-28.

[40]陳炯, 鄭永光, 鄧蓮堂. 城市建筑物對城市邊界層三維結構影響的數值模擬. 北京大學學報(自然科學版), 2007(3): 343-350.

[41]Nuss W A, Kamikawa S I. Dynamics and boundary layers processes in two Asian cyclones. Mon Wea Rev, 1990, 118: 755-771.

[42]Benjamin S G, Carlson T N. Some e ff ects of surface heating and topography on regional severe storm environments. Part Ⅰ: Three dimensional simulations. Mon Wea Rev, 1986, 114: 307-343.

The Essential Theory and Technology on Accurate Urban Weather Forecast

Sun Jisong
(Beijing Meteorological Observatory, Beijing 100089)

This paper reviews the advances in urban meso-scale synoptic meteorology and accurate urban weather forecast technology in the last two decades. It embodies following aspects: (1) The researches on inf l uence of urban circulation on mesoscale precipitation system; (2) The advances in physical process of interaction between urban circulation and topography, and inf l uence of the interaction on meso-scale synoptic system; (3) The progress in the interaction between urban circulation and sealand breeze, and its effect on meso-scale synoptic system; (4) The investigation on distribution and development of a big fog caused by urban or urban-group effect. Finally, the paper indicates the direction on accurate urban weather forecast technology, and fi gures that it is possibly an effectual technique to enhance the capability of accurate urban weather forecast so as to carry out an accurate observation research on typical metropolis. By using the above achievements, we may promote the physical process of meso-scale numerical mode and improve urban canopy mode (UCM).

urban, meso-scale synoptic meteorology, accurate forecast

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.002

2013年6月3日；

2013年9月9日

作者：孫繼松（1965—），Email：sunjs_0314@sina.com

資助信息：北京市科技計劃項目“極端天氣事件對城市安全運行的影響評估系統研究”；中國氣象局“全國強對流預報創新團隊”項目